隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步．超聲波在超聲焊接、超聲清洗、干燥、霧化、導(dǎo)航、測距、育種等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。現(xiàn)在的大功率超聲波電源大都采用頻率跟蹤控制或功率控制。這種單一控制方法不僅會降低超聲波電源效率，而且會影響輸出精度和強(qiáng)度。如何使超聲波電源根據(jù)實(shí)際負(fù)載實(shí)時，動態(tài)調(diào)節(jié)輸出諧振頻率和功率，從而保證超聲波加工等操作的要求具有重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價值。

2　超聲波電源系統(tǒng)的組成

超聲波電源系統(tǒng)主要由220V電源、整流濾波、高頻逆變單元、匹配網(wǎng)絡(luò)、檢測電路、PWM產(chǎn)生電路和驅(qū)動電路組成，如圖1所示。

220V單相交流電經(jīng)過二極管不可控整流電路得到直流電壓，然后經(jīng)過由MOSFET組成的高頻逆變電路得到滿足換能器要求的高頻電壓。為減少高頻工作條件下MOSFET的開關(guān)損耗，高頻逆變電路采用帶輔助網(wǎng)絡(luò)的全橋結(jié)構(gòu)，如圖2所示。此電路結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)零電壓開關(guān)(ZVS)PWM電路變壓器漏感小且滯后橋臂難于實(shí)現(xiàn)ZVS的問題。同時，根據(jù)電流增強(qiáng)原理，此電路結(jié)構(gòu)可在任意負(fù)載和輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，大大減少了占空比丟失。超聲波電源與換能器匹配的好壞將決定整個電路的控制效果。因此，應(yīng)該對匹配網(wǎng)絡(luò)每個參量(高頻變壓器匝比K，輸出匹配電感Lf)進(jìn)行嚴(yán)格的計算。匹配主要指為使發(fā)生器輸出額定電功率，進(jìn)行阻抗變換匹配。以及為使發(fā)生器輸出最高效率進(jìn)行調(diào)諧匹配。

采用56F803型DSP作為控制電路的核心處理器．它內(nèi)置2 KB SRAM，31．5 KB FLASH，同時，其40 MHz的CPU時鐘頻率比其他單片機(jī)具有更強(qiáng)的處理能力。6路PWM信號可以實(shí)現(xiàn)高頻逆變電路開關(guān)管MOSFET的移相控制。12位A／D轉(zhuǎn)換器采集可以實(shí)現(xiàn)電壓和電流采樣并滿足采樣數(shù)據(jù)精度的要求。利用56F803型DSP中定時器的捕獲功能可以精確計算相位差大小，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤控制。串行外設(shè)接口SPI與MCl4489配合使用可以實(shí)現(xiàn)對5位半數(shù)碼管的控制．從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率和功率的顯示。另外，56F803還支持C語言與匯編語言混合編程的SDK軟件開發(fā)包．可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。

驅(qū)動電路采用IR21lO型驅(qū)動模塊．它具有集成度高，響應(yīng)速度快(tar/taff=120 ns／94 ns），偏值電壓高(<600 V),驅(qū)動能力強(qiáng)，成本低和易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。IR2110是基于自舉驅(qū)動原理的功率MOSFET驅(qū)動電路．驅(qū)動信號延時為納秒級，開關(guān)頻率可以從數(shù)十赫茲到數(shù)百千赫茲。同時,IR2110還具有比較完善的保護(hù)功能(如欠壓檢測、抗干擾、外部保護(hù)閉鎖等)。一個IR2110可以同時驅(qū)動單橋臂的上下二個MOSFET,因此,使用少量分立元件和一路控制電源就可以實(shí)現(xiàn)一個橋臂MOSFET 的驅(qū)動控制，這樣大大減小了驅(qū)動電路的體積和成本。

3　系統(tǒng)的控制策略

超聲波電源系統(tǒng)采用頻率跟蹤和功率調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制策略，從而使發(fā)生器在輸出最大功率時可達(dá)到最高效率。此種控制策略主要通過控制PWM的周期(也就是控制開關(guān)頻率)和PWM控制波形的移相角來實(shí)現(xiàn)。

3．1　頻率跟蹤控制的實(shí)現(xiàn)

采用鎖相法實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤控制。使用KT20A/P型電流傳感器和KV20A／P型電壓傳感器分別檢測換能器二端的電壓和電流，經(jīng)過滯環(huán)控制得到電壓和電流的方波信號，如圖3所示。該滯環(huán)的回差為lV。然后，對二路方波信號經(jīng)過異或門和D觸發(fā)器得到相位差波形和相位差符號。相位差波形送入DSP的捕獲口,計算出相位差大小T，相位差符號送入GPIOA7口．獲得符號標(biāo)志量flag。當(dāng)T≠O，flag=o時，表示電壓超前電流。此時，應(yīng)該減小開關(guān)管的頻率f；當(dāng)T≠O，flag=l時，表示電壓滯后電流，此時，應(yīng)該增加開關(guān)管的頻率f,然后把頻率量轉(zhuǎn)化成時間量附給DSP模值寄存器,從而改變輸出PWM信號的周期。

3．2　功率控制的實(shí)現(xiàn)

為了使高頻逆變電路的輸出功率滿足換能器所需要的額定功率，要采用功率控制電路，即采集直流側(cè)的電流信號與給定的電流值進(jìn)行比較,并對偏差進(jìn)行數(shù)字PI調(diào)節(jié)，從而改變移相控制波形的移相角．進(jìn)而改變高頻逆變電路的輸出電壓。

采集直流側(cè)的電流來實(shí)現(xiàn)功率控制的主要原因是通過換能器的電壓和電流是交流，需要檢波、濾波等處理過程才能檢測到,這樣比較困難。而直流側(cè)電壓是直流量,基于這種考慮,采用了檢測直流側(cè)電流的方法。采用增量式數(shù)字PI運(yùn)算減小偏移量,從而達(dá)到無靜差控制。直流側(cè)電流實(shí)時跟蹤給定電流,改變軟開關(guān)控制信號的移相角,從而改變高頻逆變電路的輸出電壓，當(dāng)移相角增大時輸出電壓也增大,所以高頻逆變電路最終會輸出換能器所要求的功率。

3．3　周期分段實(shí)現(xiàn)移相控制

本系統(tǒng)的開關(guān)采用占空比為50％的PWM信號移相控制。傳統(tǒng)移相控制方法有二種：一種是采用UC3875產(chǎn)生移相控制波形．但電路復(fù)雜，不便于調(diào)試。精度低：另一種是采用單片機(jī)，這種方法大部分采用正弦表產(chǎn)生移相波形，程序冗長、復(fù)雜、可讀性差。本系統(tǒng)采用周期分段控制方法實(shí)現(xiàn)移相控制波形。在每個PWM周期中把開關(guān)管的控制波形分為4段．每段波形中DSP模值寄存器PWMCM的值等于計數(shù)器PWMVAL的值。變量Count代表輸出的是第幾段波形,當(dāng)Count=l或Count=3時．把波形I或Ⅲ的模值MODUL01(I和Ⅲ的模值相同)賦給模值寄存器。當(dāng)Count=l時,PWM模塊的0通道和3通道分別輸出高電平和低電平。當(dāng)Count=3時．PWM模塊的0通道和2通道分別輸出低電平和高電平；當(dāng)Count=2或Count=4時．把波形Ⅱ或IV的模值MODULO 2(Ⅱ和IV的模值相同)賦給模值寄存器．當(dāng)Count=2時，PWM模塊的O通道和3通道都輸出高電平。當(dāng)Count=4時．PWM模塊的0通道和2通道都輸出低電平。然后，按照上述方式循環(huán)輸出波形，如圖4所示程序框圖。

圖5為主程序框圖。在程序中，頻率跟蹤部分出現(xiàn)相位差時，先給頻率賦一個較大步長(m=100)．然后隨著相位差的減?。饾u減小步長．直到相位差為零。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

上述超聲波電源的主要參數(shù)是直流側(cè)電壓270 V；開關(guān)頻率fS=20 kHz；高頻變壓器匝比K=38：15；諧振電感Lf=3 mH；換能器采用工作頻率為20 kHz．內(nèi)阻為10Ω ,電容為12 000pF，最大輸出功率為l 500 W。

圖6(a)給出逆變橋輸出電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形。

圖6(b)是Q1管控制波形和漏一源極間電壓實(shí)驗(yàn)波形?？梢?，當(dāng)控制信號使開關(guān)管導(dǎo)通時。其漏極和源極之間的電壓已經(jīng)為零,實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管零電壓導(dǎo)通

圖6(c)是換能器二端電壓實(shí)驗(yàn)波形。換能器處于固有頻率諧振狀態(tài)時為純阻性負(fù)載，所以二端電壓為正弦。

5　結(jié)束語

采用頻率跟蹤和功率協(xié)調(diào)控制的數(shù)控式新型超聲波電源具有以下特點(diǎn)：

(1)采用帶輔助電路、電流增強(qiáng)型的ZVS全橋變換器．實(shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管的ZVS；(2)實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤與功率控制的協(xié)調(diào)控制策略，跟蹤精度可達(dá)4Hz．能夠滿足超聲焊接、超聲清洗等控制的要求；(3)采用周期分段控制策略實(shí)現(xiàn)ZVS的移相控制，使得程序簡化；(4)采用IR2110型集成驅(qū)動，驅(qū)動簡單．減小了系統(tǒng)的體積，降低了成本。

超聲波電源的基本知識

超聲波電源也叫超聲波發(fā)生器或者超聲波發(fā)生源，它的主要作用是把我們的市電（220V或380V，50或60Hz）轉(zhuǎn)換成與

超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號。隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)清洗、焊接、打孔、拋光、均質(zhì)等領(lǐng)域。

超聲波電源原理

首先由超聲波電源來產(chǎn)生一個特定頻率的信號，這個信號可以是正弦信號，也可以是脈沖信號，這個特定頻率就是超聲波換能器的頻率，一般在超聲波設(shè)備中使用到的超聲波頻率為25KHz、28KHz、35KHz、40KHz；1OOKHz，100KHZ以上的頻率尚未大量使用，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信使用面會逐步擴(kuò)大．比較完善的超聲波電源還應(yīng)有反饋環(huán)節(jié)，主要提供二個方面的反饋信號：

第一個是提供輸出功率信號，我們知道當(dāng)超聲波電源的電壓發(fā)生變化時．超聲波電源的輸出功率也會發(fā)生變化，這時反映在超聲波換能器上就是機(jī)械振動忽大忽小，導(dǎo)致清洗效果不穩(wěn)定．因此需要穩(wěn)定輸出功率，通過功率反饋信號相應(yīng)調(diào)整功率放大器，使得功率放大穩(wěn)定.第二個是提供頻率跟蹤信號．當(dāng)超聲波換能器工作在諧振頻率點(diǎn)時其效率最高，工作最穩(wěn)定，而超聲波換能器的諧振頻率點(diǎn)會由于裝配原因和工作老化后改變，當(dāng)然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號可以控制信號超聲波電源，使信號超聲波電源的頻率在一定范圍內(nèi)跟蹤超聲波換能器的諧振頻率點(diǎn)．讓超聲波電源工作在最佳狀態(tài)。

超聲波電源分類

超聲波電源按設(shè)計分自激方式電源和他激方式電源。自激電路沒有信號源，是把振蕩、功放、輸出變壓器及換能器集為一體，形成一閉環(huán)回路，回路在滿足幅度、相位反饋條件，組成一個有功率放大的振蕩器。并諧振于換能器的機(jī)械共振頻率上。一般應(yīng)用于超聲波換能器數(shù)量少的小型設(shè)備；但是對于超聲波換能器數(shù)量多的情況下，無法調(diào)試達(dá)到共振效果。所以目前工業(yè)用超聲波洗凈設(shè)備的超聲波電源大都采用他激方式。

他激式電源結(jié)構(gòu)上主要包括兩部分，前級是振蕩器，后級是放大器。一般通過輸出變壓器耦合，把超聲能量加到換能器上。他激方式的電路由兩部分組成，既信號源部分和信號放大部分。

信號源部分采用CPU為核心的信號發(fā)生和控制部分，一般都采用12-15V電壓驅(qū)動，產(chǎn)生方波信號供給信號放大電路;超聲波電源的定時控制、調(diào)節(jié)等外加功能都可以通過控制信號源的信號輸出方式完成，采用低電壓控制，安全可靠性會肯定高。

信號放大部分是將信號源產(chǎn)生的信號放大后輸出給超聲波換能器。不同電路的超聲波電源，其輸出電路、電壓的不同是導(dǎo)致傳播效率高低的重要原因。輸出電壓低，發(fā)生器消耗電能自然就大，同時振子還容易發(fā)熱，產(chǎn)生的感應(yīng)電場強(qiáng)。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整電路，增大輸出給超聲波換能器的電壓可能會取得很好的效果。

此外，如果按末級功放管所采用的器件類型分，又可分四種：電子管式超聲波電源；可控硅逆變式超聲波電源；晶體管式超聲波電源及功率模塊超聲波電源。電子管式與可控硅逆變式目前基本已淘汰，當(dāng)前廣泛使用的是晶體管式電源。這方面我們就不作具體介紹了。

超聲波電源與超聲波換能器匹配問題在實(shí)際應(yīng)用中，如何讓超聲波電源與換能器功率更匹配呢？主要從以下兩個方面去考慮：

首先，是通過匹配使電源向換能器輸出額定的電功率，這是由于電源需要一個最佳的負(fù)載才能輸出額定功率所致，把換能器的阻抗變換成最佳負(fù)載，也即阻抗變換作用。

其次，通過匹配使超聲波電源輸出效率最高，這是由于超聲波換能器有靜電抗的原因，造成工作頻率上的輸出電壓和電流有一定相位差，從而使輸出功率得不到期望的最大輸出，使電源輸出效率降低，因此在電源輸出端并上或串上一個相反的抗，使電源負(fù)載為純電阻，也即調(diào)諧作用。由此可見與超聲波換能器匹配的好壞直接影響著超聲波電源的效率。